整体区块抽油机井运行优化仿真的基础理论研究

抽油机井运行优化是石油工程领域的重要研究课题。目前抽油机井运行优化都是以单井为研究对象,整体区块抽油机井运行优化仿真的研究尚属空白。本研究将区块所有抽油机井同时作为研究对象,以区块某种评价指标最优作为系统运行优化的目标函数,并考虑油藏特征、设备承载能力、参数范围等约束条件，建立整体区块抽油机井运行优化仿真模型，实现区块各口油井配产与控制参数的整体优化。为实现整体区块抽油机井运行优化仿真以及提高系统仿真优化精度，重点研究抽油机井运行优化仿真的几个关键理论问题：抽油机井井筒油气水多相不稳定流动规律；考虑油井产出液流变性的抽油杆柱、油管柱轴向耦合振动的非线性波动方程及其数值仿真模型；基于多相稳定流动的抽油机井供产协调仿真模型以及基于多相不稳定流动的抽油机井瞬时供产协调仿真模型；整体区块抽油机井运行优化评价指标的仿真模型与评价指标优选；整体区块抽油机井运行优化仿真模型的智能建模与系统仿真优化算法。

(1)建立了幂律流体条件下抽油杆柱液体阻尼力的仿真模型；基于Fluent模拟了抽油泵柱塞与泵筒间隙的多相流流动规律，建立了柱塞液体摩擦力的回归模型；基于Fluent模拟了抽油机井井筒多相流流动规律、泵沉没压力与泵排出压力。上述研究为抽油杆柱纵向振动仿真建模奠定了基础;(2)基于幂律流体本构方程建立了抽油泵柱塞液体载荷——抽油杆柱纵向振动底端液体激励载荷的仿真模型；研究了减振悬绳器、振动阻尼器对抽油杆柱纵向振动的影响，建立了幂律阻尼条件下抽油杆柱纵向振动的波动方程；将抽油杆柱离散为质块——弹簧——幂律阻尼器的离散振动系统，建立了抽油杆柱纵向振动的离散系统仿真模型。仿真分析了抽油杆柱纵向振动的非线性特征。(3)建立了抽油泵流出特性曲线模型与井筒管流特性曲线模型。研究了油井流入特性曲线、抽油泵流出特性曲线与井筒管流特性曲线之间的关系，建立了沉没压力、排出压力、流压与产量耦合关系的供产协调仿真模型；(4)分别将抽油机井地面装置简化为单自由度刚性构件机械系统、两自由度与多自由度扭转振动系统，建立了抽油机井地面装置动力学仿真模型；综合考虑抽油杆柱幂律阻尼、减振悬绳器、阻尼器以及泵端含有速度幂律指数项液体激励载荷的共同影响，建立了抽油杆柱纵向振动仿真的离散系统通用数学模型。针对地面装置动力学与抽油杆柱纵向振动的耦合仿真模型，建立了基于数值积分的整体数值仿真模型，实现了对地面装置与抽油杆柱运动规律的整体仿真，并以此为基础建立了系统输入功率、耗电量与系统效率等系统运行评价指标的仿真模型; (5)将区块内所有抽油机井同时作为研究对象，将每口油井的产液量、冲程、冲次、泵径、下泵深度、杆柱组合与装机功率同时作为设计变量；将优化前后区块总产量不变、设备承载能力范围与参数取值范围等作为约束条件；以整体区块抽油机井总能耗最低或系统效率最高作为优化设计的目标函数，建立了整体区块抽油机井高效运行优化的数学模型；(6)整体区块抽油机井高效运行优化的数学模型设计变量多，属于大型优化设计问题，本项目建立了单井优化到整体优化的层次优化算法，解决了系统优化算法难题。现场实际应用结果表明，所建立的仿真优化模型具有较高的仿真精度；与单井优化结果比较，整体优化可以进一步降低区块总能耗。